專利名稱：Ups變頻器和線路調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案通常涉及變換器的控制，更具體地說，涉及至少與 不間斷電源、變頻器和線路調(diào)節(jié)器之一相關(guān)聯(lián)的變換器的控制。
背景技術(shù)：
至少形成不間斷電源(UPS)、變頻器或線路調(diào)節(jié)器的部件的變換器用來把可靠 的電力提供給許多不同類型的電子設(shè)備。時(shí)常，這樣的電子設(shè)備需要來自變換器的特定 的電壓和/或電流輸入。變換器輸入電流中不想要的畸變能通過變換器輸出加到用電設(shè) 備上，這將造成低效操作、生產(chǎn)力損失，而且可能需要昂貴的電子元器件維護(hù)和更換費(fèi)用。圖1提供典型變換器100的方框圖，該變換器形成把穩(wěn)定功率和備份功率提供給 負(fù)荷140的UPS的部件。與圖1所示類似的UPS可從West Kingston的美國(guó)能量變換公 司(American PowerConversion (APC) Corporation) RI 購買。變換器 100 可以包括整流器 110、逆變器120、控制器130和電池150。變換器100有分別與輸入AC電源的輸電線 和中性線聯(lián)結(jié)的輸入端112和114而且有把輸出線和中性線提供給負(fù)荷140的輸出端116 和 118。在線操作模式中，在控制器130的控制下，整流器110接受交流輸入電壓并且以 輸出線121和122提供相對(duì)于公用線124正的和負(fù)的DC輸出電壓。在電池操作模式中， 在失去輸入的交流功率之時(shí)，整流器110利用電池150產(chǎn)生DC電壓。公用線124可能 與輸入中性線114和輸出中性線118聯(lián)結(jié)通過變換器100提供連續(xù)的中性線。逆變器120 接受來自整流器110的DC電壓并且以輸電線116和118提供AC輸出電壓。

發(fā)明內(nèi)容
在此揭示的系統(tǒng)和方法監(jiān)視和控制給UPS、變頻器或線路調(diào)節(jié)器中的一個(gè)或多 個(gè)的變換器的輸入。為了提高效率，至少部分地由紋波電壓造成的畸變可以從控制信號(hào) 中除去。此外，給變換器的輸入電流可以受到控制。這將改善變換器的操作和至少減少 或消除來自變換器輸入的諧波畸變和次諧波振蕩信號(hào)之一。本發(fā)明的至少一個(gè)方面指向 用來控制變換器的方法。該方法接受包括諸如紋波電壓之類的畸變的電壓信號(hào)并且部分 地基于該電壓信號(hào)通過將該電壓信號(hào)與參考信號(hào)與進(jìn)行比較確定控制信號(hào)。該控制信號(hào) 可以包括與紋波電壓相關(guān)聯(lián)的畸變。該方法通過至少濾掉一部分來自該控制信號(hào)的紋波 電壓產(chǎn)生畸變比該控制信號(hào)少的平均控制信號(hào)。該方法至少部分地基于該平均控制信號(hào) 產(chǎn)生參考電流值并且向該參考電流值驅(qū)動(dòng)變換器的輸入電流。本發(fā)明的至少一個(gè)其它方面指向用來控制變換器的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括與變換器 相關(guān)聯(lián)而且包括濾波器的控制模塊。該濾波器適合接受有與紋波電壓相關(guān)聯(lián)的畸變的控 制信號(hào)，該濾波器還適合產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上沒有紋波電壓的平均控制信號(hào)。該控制模塊適合至 少部分地基于該平均控制信號(hào)產(chǎn)生參考電流值，該控制模塊進(jìn)一步適合向該參考電流值驅(qū)動(dòng)變換器的輸入電流。本發(fā)明的至少一個(gè)其它方面指向用來控制不間斷電源的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用 來過濾有與紋波電壓相關(guān)聯(lián)的畸變的控制信號(hào)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上沒有畸變的平均控制信號(hào)的裝 置?？刂颇K與不間斷電源相關(guān)聯(lián)，該控制模塊適合至少部分地基于該平均控制信號(hào)產(chǎn) 生參考電流值。該控制模塊進(jìn)一步適合向該電流參考值驅(qū)動(dòng)不間斷電源的輸入電流。本發(fā)明的至少一個(gè)其它方面指向一種存有包括將促使處理器控制變換器接受包 括紋波電壓的電壓信號(hào)的指令的指令序列的計(jì)算機(jī)易讀的媒體。那些指令促使處理器控 制變換器部分地基于該電壓信號(hào)通過將該電壓信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較確定控制信號(hào)， 該控制信號(hào)包括與紋波電壓相關(guān)聯(lián)的畸變。那些指令促使處理器控制變換器通過至少濾 掉一部分來自該控制信號(hào)的紋波電壓產(chǎn)生平均控制信號(hào)并且至少部分地基于該平均控制 信號(hào)產(chǎn)生參考電流值。那些指令促使處理器控制變換器向參考電流值驅(qū)動(dòng)變換器的輸入 電流并且把該輸入電流加給至少與不間斷電源、變頻器和線路調(diào)節(jié)器之一相關(guān)聯(lián)的整流器。這些方面的各種不同的各種不同的實(shí)施方案可能包括為變換器的輸入電流提供 功率因數(shù)校正或者偏移該平均控制信號(hào)的相位。至少一個(gè)實(shí)施方案可能包括把來自變換 器的輸出電流提供給負(fù)荷。在各種不同的實(shí)施方案中，從變換器到負(fù)荷的輸出電流可能 有與變換器的輸入電流同步或異步的頻率。在一個(gè)實(shí)施方案中，紋波電壓可以從電壓信 號(hào)中濾掉，而且該電壓信號(hào)可能被向參考電壓值驅(qū)動(dòng)。一個(gè)實(shí)施方案包括按電壓信號(hào)周 期的眾多時(shí)間例證抽取控制信號(hào)子樣以產(chǎn)生平均控制信號(hào)。在各種不同的實(shí)施方案中， 至少整流器和逆變器之一可能與變換器相關(guān)聯(lián)，而且濾波器可能適合至少將一部分次諧 波振蕩信號(hào)、總諧波畸變信號(hào)或兩者從變換器的輸入電流中除去。在一個(gè)實(shí)施方案中， 超前滯后補(bǔ)償器調(diào)整平均控制信號(hào)的相位。在各種不同的實(shí)施方案中，脈寬調(diào)制控制信 號(hào)占空比的調(diào)整把變換器的輸入電流向參考電流值驅(qū)動(dòng)。這些目標(biāo)和目的是用依照權(quán)利要求1和任何其它權(quán)利要求的方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 的。進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以在剩余的權(quán)利要求中找到。在此揭示的系統(tǒng)和方法的其它方面 和優(yōu)勢(shì)從下面與僅僅作為范例舉例說明本發(fā)明的原則的附圖相結(jié)合的詳細(xì)描述將變得明顯。


這些附圖不打算依比例繪制。在這些附圖中，每個(gè)在各種不同的附圖中列舉的 同一的或幾乎同一的元器件將用相似的數(shù)字表示。為了清楚，可能并非每個(gè)元器件在每 幅附圖中都被標(biāo)注出來。在這些附圖中圖1是依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說明變換器的功能方框圖；圖2是依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說明變換器的控制的系統(tǒng)方框圖；圖3是依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說明變換器輸入電流的次諧波振蕩的曲線 圖；圖4是依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說明變換器輸入電流的總諧波畸變的曲線 圖；圖5是依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說明移動(dòng)平均濾波器的增益特征的曲線圖6是依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說明變換器的控制的方框圖；圖7是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案舉例說明移動(dòng)平均濾波器的信號(hào)濾波的曲線 圖；圖8是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案描繪變換器的操作的曲線圖；而圖9是依照本發(fā)明的實(shí)施方案用來控制變換器的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式這項(xiàng)發(fā)明在其應(yīng)用方面不局限于在下面的描述中陳述的和在附圖中舉例說明的 元器件的構(gòu)造和安排的細(xì)節(jié)。本發(fā)明可以有其它的實(shí)施方案而且能夠以各式各樣的方式 實(shí)踐或?qū)崿F(xiàn)。另外，在此使用的片語和術(shù)語是為了描述，不應(yīng)該被視為限制。本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案改善變換器(例如，圖1的變換器)的控制。然而， 本發(fā)明的實(shí)施方案不局限于圖1的變換器，而是可能通常用于其它的變換器、電源、變 頻器線路調(diào)節(jié)器或其它系統(tǒng)。如用于舉例說明的附圖所示，本發(fā)明可能體現(xiàn)在用來控制變換器的系統(tǒng)和方法 之中。這些系統(tǒng)和方法能向減少畸變的參考電流值驅(qū)動(dòng)變換器的輸入電流。在此揭示的 系統(tǒng)和方法的實(shí)施方案用來濾掉次諧波振蕩、諧波畸變或兩者。圖2是依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說明變換器的控制系統(tǒng)200的方框圖。系統(tǒng) 200通常包括至少一個(gè)變換器205。變換器205可能包括把交流(AC)信號(hào)變換成DC (DC) 信號(hào)或者把DC信號(hào)變換成AC信號(hào)的電路。在一個(gè)實(shí)施方案中，變換器205包括把AC 信號(hào)變換成DC信號(hào)和把DC信號(hào)變換成AC信號(hào)的電路。變換器205可能包括不間斷電 源、變頻器或線路調(diào)節(jié)器。舉例來說在一個(gè)實(shí)施方案中，變換器205能包括維持連續(xù)地 或幾乎連續(xù)地給各種不同的負(fù)荷供應(yīng)電力的不間斷電源(UPS)。這種UPS可能有聯(lián)機(jī)的 或脫機(jī)的變化。在一個(gè)實(shí)施方案中，變換器205能服從在IEEE-519和IEC 61000-3-2工 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中陳述的諧波標(biāo)準(zhǔn)。變換器205可能包括至少one整流器210。整流器210通常包括把AC信號(hào)變換 成DC信號(hào)的電路。在一個(gè)實(shí)施方案中，整流器210包括功率因數(shù)校正(PFC)整流器。 PFC整流器通常調(diào)整整流器210的功率因數(shù)減少由整個(gè)系統(tǒng)200消散的而且能，舉例來 說，在有非線性負(fù)荷的情況下作為在整流器210的輸入電流中的諧波畸變出現(xiàn)的無功功 率損失造成的功率損失。功率因數(shù)為1是理想的而且代表損失最小的系統(tǒng)，而系統(tǒng)200 在整流器210包括PFC整流器的一個(gè)實(shí)施方案中能維持功率因數(shù)接近1.0，例如，至少 0.90。整流器210可能在各種不同的實(shí)施方案中提供半波或全波整流。在一個(gè)實(shí)施方案中，變換器205的整流器210能向至少一個(gè)逆變器215輸出電壓 Vdc和/或電流IDC。在其它的實(shí)施方案中，整流器210能向至少一個(gè)負(fù)荷220輸出Vdc 或IDe。逆變器215在一個(gè)實(shí)施方案中能作為變換器205的部件被包括在內(nèi)。在有逆變器 215存在的一個(gè)實(shí)施方案中，逆變器215能接受來自整流器210的DC電壓Vdc并且把AC 輸出信號(hào)提供給可能包括非線性負(fù)荷(例如，計(jì)算機(jī)負(fù)荷或其它電子設(shè)備)的負(fù)荷220。 在各種不同的實(shí)施方案中，逆變器215可能包括三相逆變器或單相逆變器。在一個(gè)實(shí)施 方案中，逆變器215可能包括像在此通過引證并入的授權(quán)給Nelson并且轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的 受讓人的美國(guó)專利第6,838,925和7,126,409號(hào)所 描述的那樣的逆變器。
負(fù)荷220可能包括線性或非線性負(fù)荷。舉例來說，負(fù)荷220可能包括計(jì)算機(jī)、月艮 務(wù)器、通信設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、插件模塊，或需要輸入功率的其它電子設(shè)備或器件。 負(fù)荷220可能包括DC負(fù)荷或AC負(fù)荷，而且在各種不同的實(shí)施方案中，負(fù)荷220能至少 接受整流器210和逆變器215之一的電壓輸出作為輸入。系統(tǒng)200描述逆變器215是存 在的并且把輸出提供給負(fù)荷220的實(shí)施方案。在一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)200可能不包括 逆變器215。舉例來說，變換器205可能包括變頻器，而整流器210的輸出能被作為輸入 應(yīng)用于負(fù)荷220。 在一個(gè)實(shí)施方案中，變換器205形成AC-DC-AC雙轉(zhuǎn)換電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(例 如，不間斷電源、變頻器或AC線路調(diào)節(jié)器)的部件。這樣的雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以按同步或 異步操作模式運(yùn)行。在同步運(yùn)行期間，變換器205的輸出電流有通常與變換器205輸入 電流的頻率同步的頻率。在異步運(yùn)行期間，變換器205的輸出有通常有與變換器205的 輸入電流的頻率不同步的頻率。在一個(gè)實(shí)施方案中，輸出頻率可能不同于輸入頻率。在 同步或異步運(yùn)行之下，AC-DC-AC雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整流器210的輸入電流的畸變能引起總 諧波畸變(THD)和較低的輸入功率因數(shù)。在雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中，變換器205包括整流器210和逆變器215，而 整流器210可能包括PFC前端整流器。通常，整流器210的輸入電流在同步和異步模式 之下都可能畸變。舉例來說，按異步操作模式操作AC-DC-AC雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能將次諧波振 蕩引進(jìn)整流器210的輸入電流，因?yàn)檎髌?10可能從圖1的主線路112和114吸取振蕩 電流。圖3是曲線圖舉例說明次諧波振蕩of變換器輸入電流依照an實(shí)施方案。如同圖 3的實(shí)施方案列舉的那樣，整流器210的DC總線電壓Vdc中的紋波電壓VDC(Rippid弓丨起次 諧波振蕩和使整流器210輸入電流Iin發(fā)生畸變。舉例來說，當(dāng)整流器210輸入電流攜帶 頻率低于整流器210的輸出頻率的成份的時(shí)候，圖3描繪的次諧波振蕩可能發(fā)生。這能 在整流器210的電源變壓器和電感線圈引起磁飽和。次諧波振蕩還能在系統(tǒng)200的公用 聯(lián)結(jié)點(diǎn)(PCC)引起電壓波形畸變而且能引起不想要的視覺感知的光閃爍。圖4是依照本發(fā)明的實(shí)施方案曲線圖舉例說明變換器輸入電流的諧波畸變。在 各種不同的實(shí)施方案中，當(dāng)變換器205在同步或異步模式下運(yùn)行的時(shí)候，諧波畸變可能 發(fā)生。變換器205的輸入電流IIN，(即，整流器210的輸入電流)的畸變能增加IinTHD 水平和已減少的輸入功率因數(shù)?；氐綀D2，在一個(gè)實(shí)施方案中，在此揭示的系統(tǒng)和方法包括在同步和異步模式之 下進(jìn)入變換器205的輸入特性的數(shù)字控制。舉例來說，在此揭示的控制系統(tǒng)和方法能在 AC-DC-AC雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的變換器205按異步模式運(yùn)行的時(shí)候消除次諧波振蕩而且能在同 步和異步模式期間減少AC-DC-AC雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入電流總諧波畸變。參照?qǐng)D2的系統(tǒng)200，變換器205的特性可能受至少一個(gè)控制模塊225的控制。 控制模塊225通?？刂谱儞Q器205的操作而且可能包括至少一個(gè)處理器。舉例來說控制 模塊225可能控制整流器210的一個(gè)或多個(gè)輸入電流Iin和電壓VDC。舉例來說整流器210 能沿著至少一條總線線路饋送一個(gè)或多個(gè)IDe和VDe，而逆變器215能把一個(gè)或多個(gè)電壓 Vqut和電流Iqut饋送給負(fù)荷220。在這個(gè)范例的各種不同的實(shí)施方案中，逆變器215的 輸出電壓(即，Vqut)的頻率可能與整流器210的輸入電壓的頻率相同或不同。就這個(gè)范例繼續(xù)，控制模塊225能調(diào)整整流器210的輸入電流IIN，通過，舉例來說，至少部分地基 于負(fù)荷220的電力需求調(diào)節(jié)整流器210的輸入電流，將DC總線電壓Vdc保持在參考電壓 Vdco在一個(gè)實(shí)施方案中，控制模塊225包括至少一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器230。電壓調(diào)節(jié)器 230維持通常不變的輸出電壓水平而且可能包括，舉例來說，任何比例(P)型、比例-積 分(PI)型，或比例-積分-微分(PID)型的電壓調(diào)節(jié)器。電壓調(diào)節(jié)器230的輸出在實(shí)施 方案中能作為至少一個(gè)濾波器的輸入(例如，至少一個(gè)移動(dòng)平均濾波器235)。移動(dòng)平均 濾波器235通常這樣操作，S卩，計(jì)算來自輸入信號(hào)的許多抽樣點(diǎn)的平均值產(chǎn)生輸出信號(hào) 的每個(gè)點(diǎn)。移動(dòng)平均濾波器235能對(duì)電壓調(diào)節(jié)器230的輸出進(jìn)行濾波，而且在各種不同 的實(shí)施方案中，移動(dòng)平均濾波器235可以包括有低時(shí)間常數(shù)將對(duì)整流器210電壓回路穩(wěn)定 性的影響減到最小的一階系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)平均濾波器包括有限脈沖響應(yīng) (FIR)濾波器。雖然圖2沒有展示，但是人們應(yīng)該領(lǐng)會(huì)到控制模塊225的輸出可能作為變換器 205的輸入。舉例來說，控制模塊225的參考電流Iin'可能在整流器210處加給變換器 205的輸入端。在一個(gè)實(shí)施方案中，控制模塊225向控制模塊225參考電流Ili；的數(shù)值驅(qū) 動(dòng)變換器205的輸入電流IIN。在一個(gè)實(shí)施方案中，變換器205包括控制模塊225。舉例 來說，控制模塊225可能被集成到變換器205之中或作為變換器205的部件。圖5是依照本發(fā)明的實(shí)施方案舉例說明移動(dòng)平均濾波器235的增益特征的曲線 圖。如同在圖5中列舉的那樣，移動(dòng)平均濾波器235可能在頻率fw及其倍數(shù)下提供零增 益，而在DC信號(hào)下提供單位增益。舉例來說，如果移動(dòng)平均濾波器235的輸入是DC信 號(hào)，它將沒有衰減地傳送到輸出端。在一個(gè)實(shí)施方案中，如果移動(dòng)平均濾波器235的輸 入60Hz信號(hào)而且時(shí)間窗口 Tw = 1/ \ν(即，在這個(gè)范例中為1/60Ηζ)，那么移動(dòng)平均濾 波器235的輸出可能是零。移動(dòng)平均濾波器235的輸出在2 \ν、3 \ν之類整數(shù)倍的輸入頻 率(即，120Hz，180Hz, 240Hz，等等)下也可能是零。在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)平均 濾波器235的輸入信號(hào)頻率可能是50Hz，其中Tw=l/60Hz。在這個(gè)范例中，增益可能 介于零和一之間。在這個(gè)范例的一個(gè)實(shí)施方案中，增益可能小于或等于0.25。進(jìn)一步參照?qǐng)D2，系統(tǒng)200可能還包括至少一個(gè)超前滯后補(bǔ)償器240，該超前滯 后補(bǔ)償器在一個(gè)實(shí)施方案中能調(diào)整可能由移動(dòng)平均濾波器235引進(jìn)的相位滯后。舉例來 說移動(dòng)平均濾波器235可能在電壓回路的零交叉頻率或其周圍引進(jìn)相位滯后。在這個(gè)實(shí) 施方案中，超前滯后補(bǔ)償器240可能與移動(dòng)平均濾波器235串聯(lián)，以便在頻率響應(yīng)中調(diào)整 這個(gè)滯后。舉例來說，就方程(1)而論，在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)平均濾波器235可能包 括一階低通濾波器，其中Gmaf(S)是移動(dòng)平均濾波器235以為它的時(shí)間常數(shù)的等 價(jià)s域(即，頻率域)的轉(zhuǎn)移函數(shù)，而1+s τ ^f是移動(dòng)平均濾波器235的有效極點(diǎn)。在 一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)平均濾波器235的有效極點(diǎn)可能充分地遠(yuǎn)離電壓回路過渡頻率， 以便它不干擾電壓回路的穩(wěn)定性通?？刂普髌?10的輸入電流的總諧波畸變。舉例來 說，移動(dòng)平均濾波器235的有效極點(diǎn)可能在大于或和等于60赫茲的位置，其中電壓回路 過渡頻率在大約6-ΙΟΗζ。(1) Gmaf (S) = 1/(1+s τ MAF)在系統(tǒng)200包括超前滯后補(bǔ)償器240的一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)平均濾波器235在零交叉頻率周圍引進(jìn)的相位變化能通過把超前滯后補(bǔ)償器240與移動(dòng)平均濾波器235串聯(lián) 連接進(jìn)行調(diào)整，如方程(2)所示，其中GLFAD-LAG(s)是超前滯后補(bǔ)償器240的s域轉(zhuǎn) 移函數(shù)，Tz和0.11是超前滯后補(bǔ)償器240的零點(diǎn)和極點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)。在一個(gè)實(shí)施方案 中，時(shí)間常數(shù)1可能被設(shè)定在τΜΑΡ，(即，Tz= τ MAF),以便在方程(1)的實(shí)施方案中 補(bǔ)償移動(dòng)平均濾波器235的極點(diǎn)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，時(shí)間常數(shù)Tz可能被放在τ MAF 附近以減少移動(dòng)平均濾波器235的極點(diǎn)影響。(2) Glead_lag = (l+sTz) /[1+ (O.lTz) s]在一個(gè)實(shí)施方案中，穩(wěn)定態(tài)均方根(RMS)輸入電壓VIN(RMS)能隨著變換器205輸 出功率逐漸增加或由于供應(yīng)規(guī)則從舉例來說120V的名義值逐漸減少。這可能發(fā)生在包括 計(jì)算機(jī)之類非線性負(fù)荷220的實(shí)施方案中。在一個(gè)實(shí)施方案中，RMS電壓校正可能適用 于控制模塊225補(bǔ)償這種減少實(shí)現(xiàn)恒定的功率控制(即，保持電壓調(diào)節(jié)器230的輸出P'在 輸入主線的電壓Vin變動(dòng)期間通常是不變的)。在其它的實(shí)施方案中，RMS電壓校正能 用來改善系統(tǒng)200對(duì)抗輸入電壓Vin變化(例如，驟升或急降)之類的線路干擾的動(dòng)態(tài)響 應(yīng)。舉例來說，控制模塊225可能包括均方根(RMS)輸入電壓前饋回路245。通常， Vin(RMS)的下降能通過使用RMS輸入電壓前饋回路245來補(bǔ)償，該RMS輸入電壓前饋回 路在一個(gè)實(shí)施方案中調(diào)整參考電流I;以便乂⑶在滿負(fù)荷條件下保持在VDe'。在一個(gè)實(shí) 施方案中，RMS輸入電壓前饋回路245可能包括至少一個(gè)RMS電壓校正控制器，該控制 器，舉例來說，可能包括與數(shù)學(xué)運(yùn)算或控制算法(包括，舉例來說，數(shù)字信號(hào)處理(DSP) 代碼)相關(guān)聯(lián)用來補(bǔ)償輸入主線電壓Vin的穩(wěn)定態(tài)下降和在任何負(fù)荷220條件(包括非線 性負(fù)荷220的滿負(fù)荷條件)下保持乂⑶在VDe'或其附近的積分型控制器或低通濾波網(wǎng)絡(luò)。RMS輸入電壓前饋回路245通常實(shí)現(xiàn)恒定的功率控制，舉例來說，在包括各個(gè) 輸入相分享負(fù)荷的多相逆變器的應(yīng)用中。RMS輸入電壓前饋回路245可能還改善變換器 205的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，例如，在線路干擾(例如，輸入電壓Vin改變)期間DC總線電壓VDe 的和輸入電流的響應(yīng)。在控制模塊225不包括RMS輸入電壓回路245的一個(gè)實(shí)施方案中，電壓調(diào)節(jié)器 230的輸出可能包括用于輸入電流Iin的參考電流振幅。圖6是舉例說明變換器205的控 制的方框圖，該方框圖包括這個(gè)實(shí)施方案的范例。如同圖6列舉的那樣，電壓調(diào)節(jié)器230 的輸出可能被接到移動(dòng)平均濾波器235 (在圖6中未展示)上，以便濾掉來自電壓調(diào)節(jié)器 輸出電流I1/的紋波。進(jìn)一步參照?qǐng)D2，VIN(RMS是輸入電壓Vin的均方根數(shù)值，P'是輸入功率參考值， I1/是用來控制整流器210的輸入電流參考值。在一個(gè)實(shí)施方案中，輸入電流Iin可能與 Vin同相，而DC總線電流IDC—REC(整流器210的輸出電流)和IDC—INV(逆變器215的輸入 電流)至少能包括DC項(xiàng)、開關(guān)頻率項(xiàng)和低頻AC項(xiàng)之一。在一個(gè)或多個(gè)IDe—REe和Idcunv 中的AC項(xiàng)可能在DC總線電壓VDe中引起對(duì)應(yīng)的紋波成份。在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)與低 頻紋波電壓進(jìn)行比較的時(shí)候，VDe中的開關(guān)頻率紋波電壓由于其較低的振幅可能被忽略。 所以，穩(wěn)定態(tài)總線電壓Vdc除了包括參考電壓Vdc之外還包括低頻紋波電壓VDC(Rippi6)，如 方程⑶所示。(3) Vdc = VDC*+VDC(Rippie)在一個(gè)包括逆變器215的實(shí)施方案中，VDe(Rippk)可以被分成方程(4)展示的成份，其中哪里 VDC—REC(Rippl6)和 Vdc JNV(Ripple) 包括分別由整流器210和逆變器215貢獻(xiàn)的紋波 電壓。(4)VDC(Ripple)= “VdC—REC (Ripple)+VdC—INV(Ripple)在變換器205包括單一 DC總線的實(shí)施方案中，紋波電壓VDC—REC(Ripple)可能包含 在2XfIN及其倍數(shù)下的成份，其中fIN是變換器205的線路頻率。在替代實(shí)施方案中，變 換器205包括分立的DC總線，紋波電壓VDC—REC(Rippk)可能包含在fIN及其倍數(shù)下的成份。 類似地，在一個(gè)有逆變器215的實(shí)施方案中，紋波電壓VDe—INV(Rippk)在逆變器215包括多 電平逆變器的情況下可能包含在逆變器215輸出頻率^ut及其倍數(shù)下的成份，舉例來說， 在逆變器215包括雙電平逆變器的情況下在2XfQUT。在一個(gè)實(shí)施方案中，在穩(wěn)定態(tài)，電壓調(diào)節(jié)器230處理紋波電壓VDC—REC(Ripple)和 vDe—INV(Rippk)并且把對(duì)應(yīng)的紋波項(xiàng)引進(jìn)參考功率信號(hào)P'。在這個(gè)實(shí)施方案中，如果不將 這些紋波項(xiàng)從P'中濾掉(舉例來說，用移動(dòng)平均濾波器235)，它們就能轉(zhuǎn)嫁到參考電流 值Ili；上。在一個(gè)實(shí)施方案中，在參考電流值I1/中由VDe—REe(Rippk)引進(jìn)的紋波如果不被 濾掉就可能在控制模塊225把Iin驅(qū)向Iin'的數(shù)值時(shí)引起整流器210輸入電流Iin的諧波畸 變。此外，在一個(gè)實(shí)施方案中，VDe—INV(Rippk)引進(jìn)的紋波能在‘中引起次諧波振蕩和諧 波畸變，舉例來說，當(dāng)變換器205按異步操作模式工作(例如，輸出電流Icjut有與輸入電 流IIN的頻率fIN異步的頻率Gut)的時(shí)候。在替代實(shí)施方案中，VDe—INV(Rippk)引進(jìn)的紋波 可能引起Iln中的諧波畸變，舉例來說，當(dāng)變換器205按同步操作模式工作(例如，輸出 電流Icjut有與輸入電流Iin的頻率同步的頻率Gut)的時(shí)候。在一個(gè)實(shí)施方案中，變換器205可能包括單一的AC-DC變換系統(tǒng)。這可能發(fā)生 在，舉例來說，沒有逆變器215而且負(fù)荷220包括越過DC總線線路與整流器210連接的 DC負(fù)荷的時(shí)候。在這個(gè)范例的一個(gè)實(shí)施方案中，Vdc可能只包括能增加整流器210輸入 電流Iin中的總諧波畸變的紋波電壓VDC—REC(Rippk)。在這個(gè)范例中，紋波電壓VDC—REC(Rippk) 能與Vin同步，而且作為結(jié)果在這個(gè)實(shí)施方案中整流器輸入電流Iin可能不包含次諧波振 蕩。繼續(xù)這個(gè)范例，輸入電流Iin可能包括在fIN及其倍數(shù)下的電流成份。通常，輸入電 流Iin可能有基本頻率(例如，線路頻率)和在各種不同的頻率(包括線路頻率的倍數(shù)) 下的電流成份和諧波電流成份。在這個(gè)范例中，輸入電流Iin的總諧波畸變可能受遵從諧 波標(biāo)準(zhǔn)IEEE-519和IEC61000-3-2 (例如，6_10Hz)的低帶寬電壓回路控制。在一個(gè)實(shí)施方案中，變換器205可能包括有整流器210和逆變器215的 AC-DC-AC雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在這個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)逆變器215按同步模式運(yùn)行的時(shí)候(即， 當(dāng)輸出電流Iqut包括與輸入電流Iin的頻率同步的頻率的時(shí)候)，紋波電壓VDC—REC(Rippld和 VDe—INV(Rippk)能與輸入電流Iin的頻率同步。在這個(gè)范例中，次諧波振蕩在輸入電流Iin中通 常是不可察覺的，而且紋波電壓通常只引起諧波畸變。在這個(gè)范例的一個(gè)實(shí)施方案中， 在逆變器215給電阻性負(fù)荷220供電的情況下，紋波電壓VDC—REC(Ripple)和Vdc JNV(Ripple) 可能 至少部分地彼此抵消，因此減少諧波畸變水平。然而，在逆變器215給非線性負(fù)荷220或 無功負(fù)荷220供電的實(shí)施方案中紋波電壓VDe—REe(Rippk)和VDe—INV(Rippk)通常不彼此抵消，而 且作為結(jié)果與這些紋波電壓相關(guān)聯(lián)的諧波畸變?nèi)绻槐粸V掉就能出現(xiàn)在輸入電流Iin中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)逆變器215按異步操作模式運(yùn)行以致Icjut的頻率Wcjut) 不同于Iin的頻率(fIN)的時(shí)候，紋波電壓VDC_INV(Ripple)可能不與VDC—REC(Rippl6)或Vin同步。在這個(gè)范例中，在作為&和Gut之差的絕對(duì)值(即，li^-fc^l)的頻率下的次諧波 振蕩可能是發(fā)生在參考輸入電流I1/之中。在這個(gè)范例的一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)平均濾 波器235將可能出現(xiàn)在電壓調(diào)節(jié)器230的輸出端P'的次諧波振蕩濾掉，以便控制模塊225 把輸入電流Iin)向包含降低電平的次諧波振蕩的電流參考值I;驅(qū)動(dòng)。在各種不同的實(shí)施方案中，控制模塊225能濾掉參考功率信號(hào)P'中的紋波電 壓。舉例來說，控制模塊225可能使用移動(dòng)平均濾波器235實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。圖7是依照 一個(gè)實(shí)施方案舉例說明用移動(dòng)平均濾波器235實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)器230輸出信號(hào)過濾的曲線 圖。移動(dòng)平均濾波器235通常包括移動(dòng)窗口 Tw，該窗口在一個(gè)實(shí)施方案中可能是完成計(jì) 算抽樣點(diǎn)平均值的持續(xù)時(shí)間。舉例來說，如同在圖7中列舉的那樣，移動(dòng)窗DTw可能是 電壓調(diào)節(jié)器230的輸出電壓的輸出頻率fQUT的倒數(shù)(即，l/fQUT)。在一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)平均濾波器235的移動(dòng)窗口 Tw能對(duì)應(yīng)于參考功率信號(hào) P'的紋波周期。舉例來說，當(dāng)變換器205包括分立的DC總線線路的時(shí)候和當(dāng)逆變器215 包括多電平逆變器的時(shí)候，在VDe中并因此在P'中的紋波電壓在異步操作期間周期可能 為1/ (If1N-WI)，而在同步操作期間周期可能為l/fIN。舉例來說，在& = 50Hz而fQUT = 60Hz(即，異步操作)的實(shí)施方案中，移動(dòng)窗DTw等于100ms。這個(gè)實(shí)施方案是用圖8 舉例說明的，該圖是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案描繪變換器的操作的曲線圖。圖8描繪 在依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括電阻性負(fù)荷220、50Hz輸入頻率fIN和60Hz輸出頻率 W的異步操作期間AC-DC-AC雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的DC總線電壓范例。這個(gè)說明性的實(shí)施方 案在起作用的時(shí)候可能在電壓回路中引進(jìn)延遲而且可能需要大量?jī)?nèi)存的存儲(chǔ)容量把所有 的參考功率信號(hào)P*子樣儲(chǔ)存在IOOms窗口中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，移動(dòng)窗口 Tw當(dāng)逆變器215包括多電平逆變器的時(shí)候可以 如方程(5)所示被設(shè)定為輸出頻率的倒數(shù)，而當(dāng)逆變器215包括雙電平逆變器的時(shí)候可以 如方程(6)所示被設(shè)定為兩倍輸出頻率的倒數(shù)。(5) Tw = l/foux(6) Tw = 1/(2 Xfoux)在一個(gè)實(shí)施方案中，逆變器紋波電壓VDe—INV(Rippk)能在異步操作期間在參考電流 值I1/中引起次諧波振蕩。在這個(gè)實(shí)施方案中，舉例來說，移動(dòng)平均濾波器235對(duì)于濾 掉在參考功率信號(hào)P'中由能出自VDe—!^α^Μ引起的紋波可能是充份的。然而，在相關(guān) 的實(shí)施方案中，移動(dòng)平均濾波器235也能衰減參考功率信號(hào)P'中由VDe—REe(Rippk)引起的紋 波，這將減少在參考輸入電流IIN'和輸入電流Iin中的畸變。在各種不同的實(shí)施方案中，當(dāng)變換器205處于同步操作模式的時(shí)候，逆變器215 能給可能包括至少一個(gè)非線性負(fù)荷或無功負(fù)荷的至少一個(gè)負(fù)荷220供電。在這樣的實(shí)施 方案中，逆變器紋波電壓VDe JNV(Ripple) 和整流器紋波電壓Vdc REC (Ripple) 通常不彼此抵消， 而且移動(dòng)平均濾波器235能衰減參考功率信號(hào)P'中至少部份地由一個(gè)或多個(gè)VDe—!Nvftippk) 和VDe—REe(Rippk)造成的紋波，在輸入電流Iin中獲得低的總諧波畸變(THD)。雖然THD 的水平能大范圍地改變，但是，在一個(gè)實(shí)施方案中，THD水平可能是，舉例來說，低 于5%。在一個(gè)實(shí)施方案中，輸入電流Iin WTHD水平可能是，舉例來說，少于或等于 3.5%。輸入電流Iin的THD水平大于5%的實(shí)施方案是可能的。移動(dòng)平均濾波器235可能，舉例來說，包括有20Xm個(gè)數(shù)字式抽樣點(diǎn)的移動(dòng)平均濾波器235，其中20Xm個(gè)內(nèi)存位置編號(hào)儲(chǔ)存參考功率信號(hào)P'在移動(dòng)窗口 Tw上的子 樣。在這個(gè)范例中，20Xm是在移動(dòng)窗口 Tw*可得的P'子樣的數(shù)目。以這個(gè)說明性的 實(shí)施方案繼續(xù)，20Xm個(gè)抽樣點(diǎn)的移動(dòng)平均濾波器可能用來獲得參考功率信號(hào)在方程(7) 所示移動(dòng)窗口 Tw上的平均值PAV(；，其中Tw能按抽樣頻率更新。
IOXm
權(quán)利要求
1.一種用來控制變換器的方法，該方法包括 接受包括紋波電壓的電壓信號(hào)；部分地基于該電壓信號(hào)通過將該電壓信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較確定控制信號(hào)，該控 制信號(hào)包括與紋波電壓相關(guān)聯(lián)的畸變；通過至少濾掉一部分來自該控制信號(hào)的紋波電壓產(chǎn)生平均控制信號(hào)； 至少部分地基于該平均控制信號(hào)產(chǎn)生參考電流值；以及 把變換器的輸入電流向該參考電流值驅(qū)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中驅(qū)動(dòng)輸入電流包括為該變換器的輸入電流提供功率因 數(shù)校正。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括 偏移該平均控制信號(hào)的相位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括把來自變換器的輸出電流提供給負(fù)荷，其中輸出電流有與輸入電流的頻率同步的頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括把來自變換器的輸出電流提供給負(fù)荷，其中該輸出電流有與輸入電流的頻率異步的頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括 把紋波電壓從該電壓信號(hào)中濾掉；以及 把該電壓信號(hào)向參考電壓值驅(qū)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包括 把該電壓信號(hào)加給與變換器相關(guān)聯(lián)的逆變器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生參考電流值包括 接受來自變換器的均方根輸入信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中驅(qū)動(dòng)輸入電流包括 調(diào)整與輸入電流相關(guān)聯(lián)的脈寬調(diào)制控制信號(hào)的占空比。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中紋波電壓包括整流器紋波電壓和逆變器紋波電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括控制變換器按同步操作模式和異步操作模 式之一操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中變換器至少包括不間斷電源、變頻器和線路調(diào)節(jié)器之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生平均控制信號(hào)包括 按電壓信號(hào)周期的眾多時(shí)間例證抽取控制信號(hào)的子樣。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中接受電壓信號(hào)、確定控制信號(hào)、產(chǎn)生平均控制信 號(hào)、產(chǎn)生參考電流值和向參考電流值驅(qū)動(dòng)變換器的輸入電流是至少部分地用處理器完成 的，而且該方法是至少部分地用儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)易讀的媒體之中并且用處理器運(yùn)行的程序 實(shí)現(xiàn)的。
15.—種變換器，其中包括配置成接受輸入電流的輸入端；配置成提供輸出電流輸出端； 包括濾波器的控制模塊；該濾波器適合接受有與紋波電壓相關(guān)聯(lián)的畸變的控制信號(hào)和產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上沒有紋波電 壓的平均控制信號(hào)；該控制模塊適合至少部分地基于該平均控制信號(hào)產(chǎn)生參考電流值；而且 該控制模塊適合向參考電流值驅(qū)動(dòng)變換器的輸入電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的變換器，進(jìn)一步包括 適合接受輸入電流的整流器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16變換器，進(jìn)一步包括與整流器相關(guān)聯(lián)的逆變器，其中輸入電流是與逆變器輸出電流同相的。
18.根據(jù)權(quán)利要求16變換器，進(jìn)一步包括 逆變器；以及適合至少將一部分次諧波振蕩信號(hào)從輸入電流中除去的濾波器。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的變換器，其中紋波電壓至少包括整流器紋波電壓和逆變器紋波 電壓之一。
20.根據(jù)權(quán)利要求16變換器，進(jìn)一步包括 適合調(diào)整平均控制信號(hào)相位的超前滯后補(bǔ)償器。
21.根據(jù)權(quán)利要求16變換器，進(jìn)一步包括 與逆變器相關(guān)聯(lián)的整流器；以及適合至少把一部分諧波畸從輸入電流中除去的濾波器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的變換器，其中諧波畸變小于或等于輸入電流的3.5%。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的變換器，其中控制模塊適合調(diào)整控制信號(hào)向參考電壓值驅(qū)動(dòng)整 流器電壓。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的變換器，其中控制模塊適合至少部分地基于整流器電壓的均方 根值產(chǎn)生參考電流值。
25.根據(jù)權(quán)利要求15的變換器，其中濾波器適合至少把一部分諧波畸變從輸入電流中 除去。
26.根據(jù)權(quán)利要求15的變換器，進(jìn)一步包括與控制模塊相關(guān)聯(lián)的控制信號(hào)發(fā)生器，該控制信號(hào)發(fā)生器適合調(diào)整脈寬調(diào)制控制信 號(hào)的占空比向參考電流值驅(qū)動(dòng)變換器的輸入電流。
27.根據(jù)權(quán)利要求15的變換器，至少進(jìn)一步包括有整流器的AC-DC脈寬調(diào)制變換器 和有整流器和逆變器的AC-DC-AC脈寬調(diào)制變換器中的至少一個(gè)。
28.根據(jù)權(quán)利要求15的變換器，至少進(jìn)一步包括不間斷電源、變頻器和線路調(diào)節(jié)器中 的至少一個(gè)。
29.根據(jù)權(quán)利要求15的變換器，進(jìn)一步包括頻率介于55Hz和65Hz之間的變換器 輸出電流。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的變換器，進(jìn)一步包括頻率介于45Hz和55Hz之間的變換器 輸出電流。
31.—種用來控制不間斷電源的系統(tǒng)，其中包括用來過濾有與紋波電壓相關(guān)聯(lián)的畸變的控制信號(hào)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上沒有畸變的平均控制信 號(hào)的裝置；與不間斷電源相關(guān)聯(lián)并且適合至少部分地基于平均控制信號(hào)產(chǎn)生參考電流值的控制 模塊；而且該控制模塊適合向參考電流值驅(qū)動(dòng)不間斷電源的輸入電流。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中不間斷電源至少包括變頻器和線路調(diào)節(jié)器之一。
33.一種存有包括將促成處理器控制變換器完成下列任務(wù)的指令的指令序列的計(jì)算機(jī) 易讀的媒體接受與包括紋波電壓的電壓信號(hào)有關(guān)的信息； 通過至少從控制信號(hào)中濾掉一部分紋波電壓產(chǎn)生平均控制信號(hào)； 部分地基于該電壓信號(hào)通過將該電壓信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比較確定該控制信號(hào)，該 控制信號(hào)包括與紋波電壓相關(guān)聯(lián)的畸變；至少部分地基于該平均控制信號(hào)產(chǎn)生參考電流值； 向該參考電流值驅(qū)動(dòng)變換器的輸入電流；以及把該輸入電流加給至少與不間斷電源、變頻器和線路調(diào)節(jié)器之一相關(guān)聯(lián)的整流器。
全文摘要
在此揭示的系統(tǒng)和方法監(jiān)視和控制給UPS、變頻器或線路調(diào)節(jié)器中的一個(gè)或多個(gè)的變換器的輸入。至少部分地由紋波電壓造成的畸變能從控制給該變換器的輸入電流中除去。在此描述的系統(tǒng)和方法提供簡(jiǎn)單有效的減少或消除在同步和異步操作模式期間來自變換器輸入電流一種或多種次諧波振蕩和總諧波畸變。該變換器可能包括一個(gè)或多個(gè)整流器和逆變器。
文檔編號(hào)H02M1/42GK102017376SQ200980116684
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月24日
發(fā)明者D·克里基克, P·普瑞薩德, R·格霍什 申請(qǐng)人:美國(guó)能量變換公司